DE102018217304A1

DE102018217304A1 - Wärmebehandlung für einen NiCrMoV-Stahl und martensitischer Stahl

Info

Publication number: DE102018217304A1
Application number: DE102018217304.4A
Authority: DE
Inventors: Torsten-Ulf Kern; Bora Kocdemir; Torsten Neddemeyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Durch eine zusätzliche Vorauslagerung eines NiCrMoV-Stahls und gleichzeitige Reduktion von den Spurenelementen As, Sb und Sn kann eine höhere Einsatztemperatur mit dem Stahl erzielt werden, mit dem die Festigkeit gesteigert wird und gleichzeitig die Zähigkeit (FATT50 <20°C) sichergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlung eines Stahls mit Nickel, Chrom, Molybdän und/oder Vanadium, um die Festigkeit zu steigern und ein Stahl.
Zwei Probleme liegen der Erfindung zugrunde:

Legierungen zu entwickeln für:
1. a) rotierendes Hitzeschild
2. b) Radscheibe zur Anwendung in Turbinen.

Zu a)
Das rotierende Hitzeschild ist extrem hohen mechanischen Anforderungen ausgesetzt.
Aktuell erfüllen diese nur der Werkstoff IN718.
Um preiswerte Eisenbasiswerkstoffe nutzen zu können, müssen neue Wege gegangen werden.
Aktuell erfüllt kein Eisenbasiswerkstoff die Anforderungen.
Zu b)
Gasturbinenradscheiben in unterschiedlichen Festigkeitsklassen/-güten werden in einer Turbine verbaut. Je höher aber die Festigkeitsanforderung und die Einsatztemperatur bei einer definierten Zähigkeit sein sollen, desto mehr reduziert sich das verwendbare Werkstoffportfolio. In diesem hier genannten Problem geht es um Radscheiben mit einer Festigkeit von Rp0,2>=965MPa bei Raumtemperatur, welche in Gasturbinen verbaut werden. Aktuell gibt es hierfür nur einen Werkstoff, den 26NiCrMoV14-5mod, der die Anforderungen aus Werkstoffsicht erfüllt und preiswert ist. Dieser Werkstoff kann aber nur bis 773K eingesetzt werden. Darüber hinaus kann aktuell nur der In718 genutzt werden, dessen Einsatztemperatur bei 853K liegt, welcher aus Kostengründen aber ungern verbaut wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, wodurch kostengünstige Stähle bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können, die vergleichbare Eigenschaften haben bezüglich Festigkeit und Zähigkeit zu nickelbasierten Legierungen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Werkstoff nach Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Die Figur zeigt schematisch eine Wärmebehandlung.
Ein Weg wie martensitische Werkstoffe mit 9,5% - 12,5%Cr (in Gew.-%), insbesondere mit 2% bis 4% Nickel (Ni) sowie weitere Legierungselemente diese Anforderungen durch eine gezielte Modifikation erfüllen können, ist Inhalt der Erfindung.
Der martensitische Werkstoff weist vorzugsweise jeweils 0,10 Gew.-% - 0,9 Gew.-% Vanadium (V) und/oder Stickstoff (N), ganz insbesondere 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% auf.
Daher betrifft die Idee den Austausch von In718 durch die hier vorgestellten Stähle. Angedachte maximale Einsatztemperaturen der Stähle können zwischen 773K - 823K liegen, was zu einer großen Kosteneinsparung gegenüber In718 führt.
Folgende Qualitätsbehandlungen werden durchgeführt:

Normalisieren,
Austenitisieren (A in Figur),
1. und optional 2. Anlassen (I, II in Figur),
insbesondere:
Normalisieren: 1123K - 1373K
Austenitisieren (A): T (Austenitizierung) >= T (Normalisierung)
Anlassen: 673K - 823K für 50h - 1000h.

Vorzugsweise erfolgt noch ein drittes Anlassen III (gestrichelt in Figur) als Qualitätswärmebehandlung dient.
Die Höhe der Temperatur der Wärmebehandlungen I, II, III wird an den jeweiligen Werkstoff angepasst. Dies ist mit den senkrechten Pfeilen auf dem jeweiligen Temperaturplateau angedeutet.
Der letzte Schritt der Wärmebehandlung samt der Absenkung versprödend wirkender Legierungselemente ist der wesentliche Inhalt der Erfindung für die Werkstoffe X12CrNiMo12, X8CrCoNiMo10-6 oder X12CrNiMo12.
Für X12CrNiMo12 gilt, dass die Duktilität auf einem Festigkeitsniveau von Rpo,2 (RT) >850MPa durch das Legieren mit Nickel deutlich verbessert werden kann. Vorteilhafte Gehalte sind etwa 2% - 3% Nickel (Ni), mit denen sich eine Übergangstemperatur FATT50 <0°C einstellen lässt, d.h. für eine sehr gute Kombination von Festigkeit und Duktilität.
Für Temperaturen >603K ist auch eine entsprechende Zeitstandfestigkeit einzustellen. Bei Stählen mit ca. >10% Chrom (Cr) und einem erhöhten Anteil an N kann sich im Temperaturbereich von etwa 398K bis 773K eine Sekundärphase ausscheiden, Alpha-Cr-Phase, welche eine Festigkeitssteigerung (Delta-Rpo,2 >100MPa bei RT) bewirkt bei gleichzeitiger Abnahme der Duktilität und Kerbschlag-Zähigkeit.
Die Bildung von Vanadium-Nitriden (VN) in derartigen Stählen kann die Sekundärhärtung durch Alpha-Cr weiter verstärken.
Bei bisherigen Produkten wird auf die Bildung der Alpha-Chrom-Ausscheidung verzichtet, da diese einen extrem hohen Verlust an Zähigkeit zur Folge hat. Insbesondere durch eine Reduktion der Spurenelemente As, Sb, Sn auf jeweils < 0.001 kann der Abfall der Zähigkeit geringgehalten werden und eine FATT50<20K ist herstellbar. In Folge dessen sollte die Restzähigkeit ausreichen, um die Bauteilanforderungen zu erfüllen.

X12CrNiMo12 hat vorzugsweise folgende Zusammensetzung (in Gew-%) :

Chrom (Cr)	10,0 - 12,5
Mangan (Mn)	< 0,10
Nickel (Ni)	2,5 bis 3,5
Molybdän (Mo)	1,5 bis 3,0
Vanadium (V)	0,20 bis 0,40
Niob (Nb)	0,02 bis 0,05
Silizium (Si)	< 0,10
Kohlenstoff (C)	0,08 bis 0,12
Stickstoff (N)	0,20 bis 0,40
Phosphor (P)	< 0,007
Schwefel (S)	< 0,007
Aluminium (Al)	< 0,005
Arsen (As)	< 0,001
Zinn (Sn)	< 0,001
Antimon (Sb)	< 0,001
Eisen (Fe)	Rest.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung eines martensitischen Werkstoffs (in Gew.-%), mit 9,5% - 12,5% Chrom (Cr), insbesondere mit 2% - 4% Nickel (Ni), bei dem in der letzten Stufe der Qualitätswärmebehandlung zumindest einmal ein Anlassen des Werkstoffs bei 673K - 823K für 50h bis 1000h stattfindet, insbesondere für 50h bis 200h stattfindet, um alpha-Chrom auszuscheiden.
Martensitischer Werkstoff, insbesondere hergestellt nach Anspruch 1, aufweisend: 9,5% - 12,5% Chrom (Cr) insbesondere mit 2% - 4% Nickel (Ni) und optional: 0.1% - 0.9% Molybdän (Mo), 0,1% - 0,9% Vanadium (V) und/oder Stickstoff (N), aufweisend verstärkt alpha-Chrom Ausscheidungen (in Gew.-%).
Verfahren oder Werkstoff nach Anspruch 1, bei dem der Werkstoff jeweils (in Gew.-%) 0,1% - 0,9%, insbesondere 0,2% - 0,4%, Vanadium (V) und/oder Stickstoff (N) enthält.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem ein Normalisieren, insbesondere bei 1123K bzw. 1373K, als Qualitätswärmebehandlung durchführt wird.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem vorab ein Austenitisieren als Qualitätswärmebehandlung stattfindet.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem vorab ein erstes Anlassen als Qualitätswärmebehandlung erfolgt, welches zur Vorausscheidung der alpha-Chrom-Phase dient.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4,5 oder 6, bei dem ein zweites Anlassen (II) als Qualitätswärmebehandlung erfolgt.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem ein drittes Anlassen (III) als Qualitätswärmebehandlung erfolgt.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem X12CrNiMo12, X8CrCoNiMo10-6 oder X12CrNiMo12 behandelt wird.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, bei dem die Spurenelemente Arsen (As), Antimon (Sb), Zinn (Sn) deutlich reduziert sind, insbesondere jeweils auf < 0,001 Gew.-%.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Werkstoff (in Gew.-%) 0,1% - 0,9%, insbesondere 0,2% - 0,4%, Vanadium (V) enthält.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Werkstoff (in Gew.-%) 0,1% - 0,9%, insbesondere 0,2% - 0,4% Stickstoff (N) enthält.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Werkstoff (in Gew.-%) 0,1% - 0,9%, insbesondere 0,2% - 0,4%, Molybdän (Mo) enthält.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der Werkstoff aufweist insbesondere besteht aus (in Gew.-%): Chrom (Cr) 10,0 - 12,5 Mangan (Mn) < 0,10 Nickel (Ni) 2,5 bis 3,5 Molybdän (Mo) 1,5 bis 3,0 Vanadium (V) 0,20 bis 0,40 Niob (Nb) 0,02 bis 0,05 Silizium (Si) < 0,10 Kohlenstoff (C) 0,08 bis 0,12 Stickstoff (N) 0,20 bis 0,40 Phosphor (P) < 0,007 Schwefel (S) < 0,007 Aluminium (Al) < 0,005 Arsen (As) < 0,001 Zinn (Sn) < 0,001 Antimon (Sb) < 0,001 Eisen (Fe) Rest.
Verfahren oder Werkstoff nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, mit folgender Wärmebehandlung: Normalisieren, Austenitisieren (A in Figur), erstes und optional zweites Anlassen, insbesondere: Normalisieren: 1123K - 1373K, wobei die Temperatur beim Austenitisieren größer ist als die Temperatur beim Normalisieren (Austenitizierung) >= T (Normalisierung) wobei Anlassen vorzugsweise erfolgt bei 673K - 823K für 50h - 1000h.